CN110011299A - 一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统 - Google Patents

一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统包括测量模块、信号处理模块、状态空间变换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块，所述测量模块依次与信号处理模块、状态空间变换模块连接，所述中央控制模块输入端与状态空间变换模块输出端连接，中央控制模块输出端分别与状态空间变换模块输入端、状态空间逆变换模块输入端连接，所述状态空间逆变换模块输入端分别与中央控制模块输出端、状态空间变换模块输出端连接，状态空间逆变换模块输出端依次与电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块连接，本系统把状态空间变换模块和中央控制模块组成一个闭环结构，提高了系统的抗干扰能力和控制效果。

Description

一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统
技术领域
本发明涉及一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统。
背景技术
现代电力系统是一个复杂的非线性动态系统，由输配电线路和多种设备相互联系、相互影响而形成巨维数电力网络，表现为大机组、超高压、长距离、重负荷、多种新能源(如风电、光伏发电等)接入的互联的大电网。随着电力电子技术的发展，大量的电力电子装置投入运行，在使发电、输电更经济、高效的同时也增加了电力系统的规模、复杂性和不确定性。在这种情况下，电力系统的局部故障(如负荷骤降、电压崩溃、线路故障等)可能会对全网产生较为严重的影响。柔性交流输电系统(FACTS)是一种能够有效地、快速地和连续地调节电力网络参数的一种输电装置。因此，在不改变电力网络结构的情况下，FACTS能有效地改善潮流分布情况，提高电力系统功率输送能力及暂态稳定性。
统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)被公认为是一种功能最强大、特性最优越的新一代FACTS装置，它是由并联补偿的静止同步补偿器(STATCOM)和串联补偿的静止同步串联补偿器 (SSSC)相结合组成的新型潮流控制装置，综合了STATCOM和SSSC的多种灵活控制手段，它包括了并联补偿、串联补偿、电压调节和移相等多种能力，它可以通过对输电线路的有功功率和无功功率进行独立控制来实现为输电系统提供串联和并联的无功补偿的功能，控制输电线路的潮流分布，提高系统阻尼，抑制次同步振荡从而达到提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性。
UPFC在输电系统运行中的作用不仅取决于其装设位置和容量选择，更受到所选择的控制方法的影响。目前，UPFC装置所使用的线性控制方法主要有直接线性化方法、(直接)反馈线性化方法等。由于UPFC系统是多变量非线性系统，线性化控制方法很可能破坏了系统原有的物理结构特性而使得不到理想的控制效果。近年来，为了提高了电力系统的暂态稳定性和振荡阻尼，UPFC的非线性控制方法获得了广泛研究，主要有滑膜变结构控制方法、直接Lyapunov有限时间控制方法等。
然而，UPFC系统是一个多变量非线性系统，难以建立UPFC的精确的数学模型，建模过程本身就存在建模误差；同时，UPFC装置在运行的过程中经常外部扰动的影响。因此，当电力系统受到外部扰动强烈干扰使其运行轨迹大幅度偏离其期望稳定点，(反馈)线性化控制器得不到满意的控制效果。滑膜变结构控制方法和直接Lyapunov 有限时间控制方法是不连续控制方法，容易发生“抖振”现象。
例如公开号为CN105591385A公开的一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制系统，该系统包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间变换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块、UPFC模块，该系统采集接入点物理量后对物理量进行信号滤波，坐标变化，再通过比较模块调用微处理器的计算功能计算出建立状态空间模型，再通过中央控制模块的微处理器执行非线性鲁棒控制律，最后通过状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发脚和脉宽调制比信号输入给UPFC模块，该系统仅考虑了系统的稳定性问题，没有考虑到系统的稳定时间问题，由此导致该控制装置的抗干扰能力不够强，控制效果不是很理想。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统包括测量模块、信号处理模块、状态空间变换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块，所述测量模块依次与信号处理模块、状态空间变换模块连接，所述中央控制模块输入端与状态空间变换模块输出端连接，中央控制模块输出端分别与状态空间变换模块输入端、状态空间逆变换模块输入端连接，所述状态空间逆变换模块输入端分别与中央控制模块输出端、状态空间变换模块输出端连接，状态空间逆变换模块输出端依次与电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块连接。
所述测量模块从输电系统中采集建立UPFC的状态空间模型所需的物理量。
所述信号处理模块将测量模块输出的物理量中干扰信号进行滤波，将滤波后的物理量从abc坐标变换到dp0坐标后再输出到状态空间变换模块。
所述状态空间变换模块计算UPFC系统的局部平衡点及其与测量值的跟踪误差信号，根据跟踪误差信号建立UPFC系统的状态空间模型，并将UPFC系统的状态空间模型输出信号传输到中央控制模块。
所述中央控制模块调用控制算法得到全局连续有限时间鲁棒控制律，并将输出信号传输到状态空间逆变换模块。
所述状态空间逆变换模块将全局连续有限时间鲁棒控制律转换成为相关物理量输送到电压源换流器脉宽调制模块。
所述电压源换流器脉宽调制模块将全局连续有限时间鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到UPFC模块，实时调节输电系统的潮流分布。
所述的UPFC模块包括变压器、SATCOM、SSSC。
本发明的有益效果在于：在考虑外部有界扰动的情况下，建立了 UPFC的跟踪误差信号的非线性动态模型和直流连接电容器的非线性模型，中央控制模块采用全局连续有限时间鲁棒控制律是连续的，不仅不会发生“抖振”现象而且完整地保留了被控对象UPFC的非线性物理结构特性，本发明在状态空间变换模块和中央控制模块之间构成一个闭环结构，在功能上不仅解决了系统的稳定性问题，而且解决了系统的稳定时间问题，提高了系统的抗干扰能力，改善了系统的控制效果。
附图说明
图1是本发明的原理结构图；
图2是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统包括测量模块、信号处理模块、状态空间变换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块，所述测量模块依次与信号处理模块、状态空间变换模块连接，所述中央控制模块输入端与状态空间变换模块输出端连接，中央控制模块输出端分别与状态空间变换模块输入端、状态空间逆变换模块输入端连接，所述状态空间逆变换模块输入端分别与中央控制模块输出端、状态空间变换模块输出端连接，状态空间逆变换模块输出端依次与电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块连接。
所述测量模块包括测频器、电压传感器、电流传感器，用于采集输电线路电压、输电线路电流、频率等建立UPFC的状态空间模型所需的物理量。
所述信号处理模块包括滤波器、变量计算器，将测量模块输出物理量中的干扰信号进行滤波，再将处理后的物理量从abc坐标变换到 dp0坐标后再输出到状态空间变换模块。
所述状态空间变换模块是微处理器，能够计算UPFC系统的局部平衡点及其与测量值的跟踪误差信号，根据跟踪误差信号建立UPFC 系统的状态空间模型，并将UPFC系统的状态空间模型输出信号传输到中央控制模块。
所述中央控制模块是微处理器，能够调用控制算法得到全局连续有限时间鲁棒控制律，并将输出信号传输到状态空间逆变换模块。
所述状态空间逆变换模块将全局连续有限时间鲁棒控制律转换成为相关物理量输送到电压源换流器脉宽调制模块。
所述电压源换流器脉宽调制模块将全局连续有限时间鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到UPFC模块，实时调节输电系统的潮流分布。
所述的UPFC模块包括变压器、SATCOM、SSSC。
本发明的工作流程如下：
S1、所述测量模块采集建立UPFC的状态空间模型所需的物理量，包括：系统接入点处发送端母线三相电压Vsa,Vsb，Vsc和接收端母线三相电压Vra,Vrb,Vrc，并联变压器三相电流isha,ishb,ishc，串联变压器三相电流isea,iseb,isec；
S2、所述信号处理模块将测量模块输出物理量中的干扰信号进行滤波，再将这些物理量从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量，变换前后分别如下：Vsa,Vsb,Vsc变为Vsd,Vsq；Vra,Vrb,Vrc变为Vrd,Vrq；isha,ishb,ishc变为ishd,ishq；isea,iseb,isec变为ised,iseq；记i＝[ised,iseq,ishd,ishq]T，将建立状态空间模型所需的物理量输出到状态空间变换模块；
S3、所述状态空间变换模块读取其微处理器中存储的物理量：并联变压器的阻抗Rsh和感抗Lsh，串联变压器的阻抗Rse和感抗Lse，直流电容器电容值C，发电机转子角速度的参考值ω，UPFC接收端的期望有功功率和期望无功功率直流环节电容器的期望电压发送端交流母线期望无功功率
S4、所述状态空间变换模块和中央控制模块构成一个闭环的电流环控制环节，状态空间变换模块调用其微处理器计算系统的期望平衡点和稳态输入
S5、建立跟踪误差信号的状态空间模型：
式中：
[w1 w2 w3 w4]T是系统外部干扰信号；
S6、建立直流电容器连接模型：
式中：Vdc是直流电容器的电压，V＝[Vsed,Vseq,Vshd,Vshq]T是UPFC的系统控制输入，Vshd＝k1Vdccos(α1+θs),Vshq＝k1Vdcsin(α1+θs),Vsed＝k2Vdccos(α2+θs)，Vseq＝k2Vdcsin(α2+θs)，α1和α2分别是并联变压器和串联变压器的移相触发角，k1和k2分别是并联变压器和串联变压器的脉宽调制比，θs为发送端母线的相位角，Cdc为电容器的电容值；
S7、所述中央控制模块读取存储在其微处理器中的控制参数 hi＞0(i＝1,2,3,4)、ri(i＝1,2,3,4)、γ，调用其微处理器的计算功能，完成 UPFC的全局连续的有限时间鲁棒控制律：
式中：h(x)＝diag{h1(x),h2(x),h3(x),h4(x)}＞0是权重矩阵，I4是四阶单位矩阵，H0(x)＝Hd(x)-H(x)，
Jd(x)＝J(x)+J0(x),Rd(x)＝R(x)+R0(x)，
γ>0且满足：
是矩阵R(x)+R0(x)的特征值，取α＝2，得到UPFC的全局连续的有限时间鲁棒控制律如下：
S8、所述状态空间逆变换模块将全局连续有限时间鲁棒控制律计算出触发角(α1,α2)和脉宽调制比(k1,k2)，再将输出信号发送到电压源换流器脉宽调制模块：

Claims (9)

1.一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，包括测量模块、信号处理模块、状态空间变换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块，其特征在于：所述测量模块依次与信号处理模块、状态空间变换模块连接，所述中央控制模块输入端与状态空间变换模块输出端连接，中央控制模块输出端分别与状态空间变换模块输入端、状态空间逆变换模块输入端连接，所述状态空间逆变换模块输入端分别与中央控制模块输出端、状态空间变换模块输出端连接，状态空间逆变换模块输出端依次与电压源换流器脉宽调制模块、UPFC模块连接。
2.如权利要求1所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述测量模块从输电系统中采集建立UPFC的状态空间模型所需的物理量。
3.如权利要求1所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述信号处理模块将测量模块输出的物理量中干扰信号进行滤波，将滤波后的物理量从abc坐标变换到dp0坐标后再输出到状态空间变换模块。
4.如权利要求1所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述状态空间变换模块计算UPFC系统的局部平衡点及其与测量值的跟踪误差信号，根据跟踪误差信号建立UPFC系统的状态空间模型，并将UPFC系统的状态空间模型输出信号传输到中央控制模块。
5.如权利要求1所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述中央控制模块调用控制算法得到全局连续有限时间鲁棒控制律，并将输出信号传输到状态空间逆变换模块。
6.如权利要求1所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述状态空间逆变换模块将全局连续有限时间鲁棒控制律转换成为相关物理量输送到电压源换流器脉宽调制模块。
7.如权利要求1所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述电压源换流器脉宽调制模块将全局连续有限时间鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到UPFC模块，实时调节输电系统的潮流分布。
8.如权利要求1～7所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于系统工作流程包括以下步骤：
A1、所述测量模块采集建立UPFC的状态空间模型所需的物理量，包括：系统接入点处发送端母线三相电压Vsa,Vsb,Vsc、接收端母线三相电压Vra,Vrb,Vrc、并联变压器三相电流isha,ishb,ishc、串联变压器三相电流isea,iseb,isec；
A2、所述信号处理模块将测量模块输出物理量中的干扰信号进行滤波，再将这些物理量从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量，变换前后分别如下：Vsa,Vsb,Vsc变为Vsd,Vsq；Vra,Vrb,Vrc变为Vrd,Vrq；isha,ishb,ishc变为ishd,ishq；isea,iseb,isec变为ised,iseq；记i＝[ised,iseq,ishd,ishq]T，将建立状态空间模型所需的物理量输出到状态空间变换模块；
A3、所述状态空间变换模块读取其内部微处理器存储的物理量，包括并联变压器的阻抗Rsh和感抗Lsh、串联变压器的阻抗Rse和感抗Lse、直流电容器电容值C、发电机转子角速度的参考值ω、UPFC接收端的期望有功功率Pr *和期望无功功率直流环节电容器的期望电压发送端交流母线期望无功功率
A4、所述状态空间变换模块和中央控制模块构成一个闭环的电流环控制环节，状态空间变换模块调用其微处理器分以下几步进行计算：
A4.1、计算系统的期望平衡点和稳态输入
A4.2、建立跟踪误差信号的状态空间模型：
式中：
[w1 w2 w3 w4]T是系统外部干扰信号；
A4.3、建立直流电容器连接模型：
式中：Vdc是直流电容器的电压，V＝[Vsed,Vseq,Vshd,Vshq]T是UPFC的系统控制输入，Vshd＝k1Vdccos(α1+θs),Vshq＝k1Vdcsin(α1+θs),Vsed＝k2Vdccos(α2+θs)，
Vseq＝k2Vdcsin(α2+θs)，α1和α2分别是并联变压器和串联变压器的移相触发角，k1和k2分别是并联变压器和串联变压器的脉宽调制比，θs为发送端母线的相位角，Cdc为电容器的电容值；
A5、所述中央控制模块读取存储在其微处理器中的控制参数：hi＞0(i＝1,2,3,4)、ri(i＝1,2,3,4)、γ，调用其微处理器的计算功能，完成UPFC的全局连续的有限时间鲁棒控制律：
式中：h(x)＝diag{h1(x),h2(x),h3(x),h4(x)}＞0是权重矩阵，I4是四阶单位矩阵，α＞1，H0(x)＝Hd(x)-H(x)，
Jd(x)＝J(x)+J0(x),Rd(x)＝R(x)+R0(x)，
γ>0且满足
是矩阵R(x)+R0(x)的特征值，取α＝2，得到UPFC的全局连续的有限时间鲁棒控制律如下：
A6、所述状态空间逆变换模块将全局连续有限时间鲁棒控制律计算出触发角(α1,α2)和脉宽调制比(k1,k2)，再将输出信号发送到电压源换流器脉宽调制模块：
9.如权利要求4或权利要求5所述的一种统一潮流控制器的全局连续有限时间鲁棒控制系统，其特征在于：所述的状态空间变换模块和中央控制模块为微处理器，具有数据存储、计算和传输等功能。
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